ارائه روشی نوین در زمینه آشکارسازی مکان منبع صوت با دقت بالا با استفاده از آرایه حسگرهای صوتی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی (نظری)

نویسندگان

1 عضو هیئت علمی، گروه مهندسی برق، دانشگاه فنی و حرفه‌ای، تهران، ایران.

2 استادیار، گروه مهندسی برق، دانشگاه فنی و حرفه‌ای، تهران، ایران.

چکیده

تا به امروز تحقیقات زیادی در زمینه جهت‌یابی و مکان‌یابی منبع صدای تولیدی از مواردی مانند شلیک، انفجار و صدای انسان ارائه شده است. با توجه به اهمیت این موضوع در سازمان‌های مختلف امنیتی و محیط‌بانی، در این مقاله طرح جدیدی ارائه می‌گردد که در آن، مکان دقیق منبع تولید صدا، با دقت بسیار بالا و در کم‌ترین زمان تشخیص داده می‌شود. روش کار براساس تأخیر زمان ورود سیگنال صوتی به آرایه‌ای از حسگرهای صوتی است که یکی از روش‌های متداول می‌باشد. تفاوت روش پیشنهادی در این مقاله، استفاده از نتایج ساده‌شده حاصل از حل دستگاه روابط هندسی می­باشد. با توجه به ساختار خاص آرایه‌ حسگرها، روش پیشنهادی بدون نیاز به انجام محاسبات پیچیده و پردازش زیاد، تنها با یک جای‌گذاری ساده مقادیر در رابطه، پاسخ موردانتظار را در سریع‌ترین زمان و با بالاترین دقت محاسبه می‌کند. برای اثبات ایده پیشنهادی، طرح اولیه مبتنی‌بر آرایه‌ای از 3 میکروفن شبیه‌سازی شده است. به دلیل وجود خطای حدود 0.12 درصدی در آن، برای آشکارسازی با احتمال 100 درصد، طرح به آرایه 4 میکروفنی و سپس برای اثبات کارایی ایده در فضای 3 بعدی، به آرایه 5 میکروفنی ارتقا یافت. اندازه خطای قرائت تأخیرهای زمانی، رابطه مستقیم با درصد و میزان خطای تشخیص مکان هدف دارد و اندازه خطا وابسته به کیفیت و کمیت سخت‌افزار مورد استفاده می‌باشد. این روش با کاهش پیچیدگی­های متداول، باعث کاهش سخت­افزار و زمان پردازش موردنیاز می‌گردد؛ از این رو استفاده از این روش می­تواند موجب کاهش هزینه­های پیاده­سازی در کاربردهای مرسوم شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

A Novel Method to Detect Location of the Sound Source with a High Accuracy Using Sound Sensors Array

نویسندگان [English]

  • Mohammad Reza Shokrollahi 1
  • Mohsen Tamaddon 2
1 Faculty Member, Department of Electrical Engineering, Technical and Vocational University (TVU), Tehran, Iran.
2 Assistant Professor, Department of Electrical Engineering, Technical and Vocational University (TVU), Tehran, Iran.
چکیده [English]

Various research attempts have been investigated to navigate and locate source of the sound originated from the events such as firing, explosion and the human. Noting the importance of this subject in security and environmental protection organizations, a novel approach is presented to locate sound source with a higher accuracy and a lower response time. Conventionally, the proposed approach is based on the sound signal time difference of arrival (TDOA) received by a sound sensors array. The novelty is to use the simplified results of the deployed geometric equation system. Thanks to the special structure of the sensors array, without a need to the complicated mathematical calculations and a heavy processing, just by incorporating the values in the equations the required response is achieved with the highest accuracy and the lowest time. For the proof of the concept, a primary scheme which is based on a 3-microphone array is simulated. Due to the minor error (i.e., 0.12%), to detect the source with 100% probability a 4-microphone array is developed. Also, to confirm the effectiveness of the concept in the 3-D space, the scheme is extended to a 5-micophone array. The time delays readout error is proportional to the error of the detection of the target location, and this error is dependet on the quality and the specification of the utilized hardware. Alleviating the complexities in the conventional techniques, it decreases the process time and also the required hardware. Therefore, this method saves the implementation costs in the common applications.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Localization
  • Source sound
  • Sound sensors
  • Time Difference of Arrival (TDOA)
  • Microphone array

مراجع

[1] Dorostan, R., Zabihi, H., Asgharzadeh, A., & Gorji Poshti, M. (2021). Explaining the Components of Feeling Safe in Crime Prevention in Urban Design (Case Study: Rajai Main Street, Karaj). Karafan Quarterly Scientific Journal, 18(1), 77-93. https://doi.org/10.48301/kssa.2021.130678
[2] Borzino, Â. M. C. R., Apolinário, J. A., & De Campos, M. L. R. (2015, April 19-24). Robust DOA estimation of heavily noisy gunshot signals. 2015 IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing, South Brisbane, QLD, Australia https://doi.org/10.1109/ICASSP.2015.7178009
[3] Amiri, M. (2021). Fast Texture Retrieval Using Walsh-Hadamard Transform. Karafan Quarterly Scientific Journal, 18(3), 137-153. https://doi.org/10.48301/KSSA.2021 .262698.1326
[4] Abiri, A., & Pourmohammad, A. (2016, February 17-18). A rieview of the sound detection and localization of the snipers. Third National Conference and First International Conference on Applied Research in Electrical, Mechanical and Mechatronics Engineering, Tehran, Iran. https://civilica.com/doc/479788
[5] Zhang, Z., Wu, M., Han, X., & Yang, J. (2020). Performance comparison of UCA and UCCA based real-time sound source localization systems using circular harmonics SRP method. Applied Acoustics, 164, 107241. https://doi.org/10.1016/j.apacoust.2 020.107241
[6] Hrabina, M., & Sigmund, M. (2018, April 19-20). Gunshot recognition using low level features in the time domain. 2018 28th International Conference Radioelektronika Prague, Czech Republic https://doi.org/10.1109/RADIOELEK.2018.8376372
[7] Kumar, N. (2017). Study Of Sound Source Localization Using Music Method In Real Acoustic Environment. International Journal of Electronics Engineering Research, 9(4), 545-556. https://www.ripublication.com/ijeer17/ijeerv9n4_09.pdf
[8] Kraljević, L., Russo, M., Stella, M., & Sikora, M. (2020). Free-Field TDOA-AOA Sound Source Localization Using Three Soundfield Microphones. IEEE Access, 8, 87749-87761. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2020.2993076
[9] Rahimi, M., Sadeghi, H., Ghasemi, A., & Shamsi, M. (2015). A combined method of locating audio sources for near and far field applications. Journal of Iranian Audiovisual Engineering Association, 3(1), 10-25. http://joasi.ir/article-1-57-fa.html
[10] Ho, K. C. (2012). Bias Reduction for an Explicit Solution of Source Localization Using TDOA. IEEE Transactions on Signal Processing, 60(5), 2101-2114. https://doi.or g/10.1109/TSP.2012.2187283
[11] Diaz-Guerra, D., Miguel, A., & Beltran, J. R. (2021). Robust Sound Source Tracking Using SRP-PHAT and 3D Convolutional Neural Networks. IEEE/ACM Transactions on Audio, Speech, and Language Processing, 29, 300-311. https://doi.org/10.1109/TASLP.2 020.3040031
[12] Kan, Y., Wang, P., Zha, F., Li, M., Gao, W., & Song, B. (2015). Passive Acoustic Source Localization at a Low Sampling Rate Based on a Five-Element Cross Microphone Array. Sensors, 15(6), 13326-13347. https://doi.org/10.3390/s150613326
[13] Ramamurthy, A., Unnikrishnan, H., & Donohue, K. D. (2009, March 5-8). Experimental performance analysis of sound source detection with SRP PHAT-β. IEEE Southeastcon 2009, Atlanta, GA, USA https://doi.org/10.1109/SECON.2009.5174117
[14] Yassin, A., Nasser, Y., Awad, M., Al-Dubai, A., Liu, R., Yuen, C., Raulefs, R., & Aboutanios, E. (2017). Recent Advances in Indoor Localization: A Survey on Theoretical Approaches and Applications. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 19(2), 1327-1346. https:// doi.org/10.1109/COMST.2016.2632427
[15] Wu, P., Su, S., Zuo, Z., Guo, X., Sun, B., & Wen, X. (2019). Time Difference of Arrival (TDoA) Localization Combining Weighted Least Squares and Firefly Algorithm. Sensors, 19(11), 1-14. https://doi.org/10.3390/s19112554
[16] Jin, B., Xu, X., & Zhang, T. (2018). Robust Time-Difference-of-Arrival (TDOA) Localization Using Weighted Least Squares with Cone Tangent Plane Constraint. Sensors, 18(3), 1-16. https://doi.org/10.3390/s18030778
[17] Hosseini, M. S., Rezaie, A., & Zanjireh, Y. (2017). Time difference of arrival estimation of sound source using cross correlation and modified maximum likelihood weighting function. Scientia Iranica, 24(6), 3268-3279. https://doi.org/10.24200/sci.2017.4355
[18] Pertilä, P., Parviainen, M., Myllylä, V., Huttunen, A., & Jarske, P. (2020, September 21-24). Time Difference of Arrival Estimation with Deep Learning – From Acoustic Simulations to Recorded Data. 2020 IEEE 22nd International Workshop on Multimedia Signal Processing, Tampere, Finland. https://doi.org/10.1109/MMSP48831.2020.9287131
[19] Kafaei Zad Tehrani, A., Makkiabadi, B., Parsayan, A., & Hozhabr, S. H. (2018, December 17-19). Sound Source Localization Using Time Differences of Arrival; Euclidean Distance Matrices Based Approach. 2018 9th International Symposium on Telecommunications Tehran, Iran. https://doi.org/10.1109/ISTEL.2018.8661037
فصلنامه علمی کارافن
دوره 19، شماره 1 - شماره پیاپی 57
فنی و مهندسی
خرداد 1401
صفحه 459-480

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 21 شهریور 1400
  • تاریخ بازنگری: 15 اردیبهشت 1401
  • تاریخ پذیرش: 31 اردیبهشت 1401

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار